Введение к работе
;..-. Актуальность теш. В последние годи в СССР и в основных " научно- и промшленно развитых странах. (США, ФРГ, Японии) наблюдается значительное возрастзшіе интереса к разработкам в области ультрадисперсних сред (УЛС), которме тогда называют пятим состоянием вещества. Изучение этих систем, начатое более пятнадцати лот назад, сегодня стало самостоятельным направлением в физике конденсированного состояшія. Объем исследований, проводимых практически по всем направлениям йизшаг твердого тела, неуклонно возрастает, что отражается на ежегодном росте числа публикации. Особое внимание исследователей привлекут размерило гїчектп з малих частицах (І.ІЧ), проявляющиеся когда р?'-г-ор 'ЛЧ становится сравним с характерцам корреляционным мзсзтаСом соответствующего физического процесса. 3 малых частицах обнаружен!! аномальные
СОЧеХаїШЯ <ЇЇЇЗПЧЗСКПХ (ЭЛеКТрЛЧеСКИХ, МЗГ1ПГОШХ- ТОПЛОК'Х,
механических и др.), химических и биологических свойств, a компактные мзтернзл;і с размером зерна от І до І СО им дз:г:е выделены в отдельна!! класс, получивший лазвзгоіе нанокрнсталлоо' (ПК).
Следует отметить, что экспериментальная направленность большинства работ при незначительной доле теоретических іісслздобзіпіїі свидетельствует об относительной новизне проблематики и этапе накопления сведении. Вместе с тем, значительное число аномалий свойств, получзшшх в эксперименте, их конкретные технические приложения уте сегодня требуют теоретического осмысления. Кроме того, неизбежная ограниченность эксперимента (пределом чувствительности и диапазоном рабочих характеристик оборудования, качеством образцов п т.п.) и его високая стоимость в значительной степени могут бить скомпенсированы . теоретическими расчетами н моделированием (в тем числе, компьютерным).
Нэнокристаллы обеиаот значительно продвинуть проблему получения материалов с заданным уровнем свойств, обеспечив, в частности, существенное повышение прочности и твердости деталей машин. В настоящее время одним яз перспективних мето. ,оз получения этих материалов прздеташитется . компакткрованпе исходных ультрадисперсних порошков (УДИ) при относительно низких гомологических температурах т - о,і о,з-тпл, позволяющих избеяать роста зерна при рекристаллизации. Вместе с чы\.
экспериментальные исследования последних лет показали, что для компактирования УДП требуются значительно больше давлешія, чем для традиционных грубодисперсных порошков. Этот зфїакт связан с отсутствием носителей пластической дефэрмащш (главным образом, подвишшх решеточных дислокаций) в объеме ИСХОДНЫХ 1-54, что установлено недавними электронно-шжроскопическимн исследованиями и подтверждается теоретическими расчетами.
В условиях гидростатического компактирования основными источниками напряжений являются области контактов между частицами, объемная плотность которых чрезвычайно высока ( - Ю,в см"3), поэтому в отсутствие традиционных каналов сброса напряжений ансамбли ЫЧ представляют уникальную возможность достижения сильнонапряженного упругого состояния всей макроскопической системы - нанокристалла.
Проведешше S диссертационной работе теоретические исследования позволили определить распределение упругих напряжений в4 объеме ЫЧ и проанализировать их влияние на проізкание пластических и диффузионных процессов.
Изучение особенностей контактных явлений при компактную .as УДП закладывает основы совершенствования технологии получасш навокристаллов.
Цель работа - изучение влияния коптрглнмх яаггрякнптй тю особегаюсти протекания пластических и дп-Музноппых процессоь б і-Г-З на раншиг стадиях формирования кпиокрпстзллол глтодсм :;о«:;-;ото гидростатического когллактпрог.с.ппя, а тпкхе олр-з деление угвдт;:х напряжений в гетерофазних сис*е;;ох типа ;;ч-г;и:?ш:сиалигШ cs:zr к анализ устойчивости этих систем.
Для этого решались следу іс,:п:о задачи:
-
Исследование механизма oboj;.gu:i.j дофлеюв поверхности >'.Ч Б. несовершенства контактной граіппи.
-
Разработка механизмов начально:*] стадии пластической деформации малых частиц.
-
Определение величини и пространственного распределения контактных напряжений, вознпкащпх в объема МЧ после приложения впош-него гидростатического давлешія.
-
Исследование влияния контактных напряжений на процессы низкотемпературной само диффузии в однокомпонентних ЫЧ.
-
Расчет перераспределения атомов второго компонента в объеме двухкомпонентннх МЧ путем "восходящей"' диффузии, инициированной контактными напряжениями.
-
Определение напряжений в гетерофазной системо ^FI— эпитаксиаль-шй слой и каналов релаксации этих напряжений.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
теоретически обоснован пороговый характер и .предложены простые критерии начала необратпкчх пластических процессов в ансамбле контактирующих МЧ, зависящие от типа кристаллической решетки материала, его упругих свойств и размера МЧ;
методом машинного моделирования рассчитано напряженно-деформированное состояние в объеме МЧ, контактирующей с соседними МЧ ансамбля, находящегося под шепним гидростатическим давлением;
теоретически изучены особенности процессов сзмодаФфузки, инициированных контактными напряЕенпямп и показано отличие кинетики низкотемпературного спекания в условиях гидростатического коипактирозэкия от кинетики спекания под действием сил поверхностного натягения,-
проанализировано влияние внешнего гидростатического давления на перераспределение атомов второго компонента (придаси) по объему малых частиц;
рассчитано .упруго-напрязйнкое состояние в гетерофазной системе НЧ-зпитаксиальный слой и проанализирована устойчивость слоя относительно процессов зарождения решеточных дислокаций, роста трещин и отслаивания.
Практическая ценность работы. Проведенные в работе исследования позволили оценить критическув величину внешнего давления, соответствущего началу необратимой пластической деформации МЧ, определять величину и распределение контактных напряжений по объему МЧ, и проанализировать особенности протекания в МЧ низкотемпературных процессов массопереноса, тшциироБанных контактными напряжениями. Развитые теоретические идеи позволяют формулировать рекомендации для практического получения нанок^исталлов п^ технологий холодного квззпгидростатического компактирования.
. Основные положения и результат, выносимые на защиту: I. Пороговый характер начала необратимых пластических процессов в.ансамбле контактирующих МЧ.
-
Резко неоднородное наїфяженно-деформировашюе состояние в объеме МЧ и высокий уровень упругих напряжений в контактах МЧ при гидростатическом .кошактировании, рассчитанные на ЭВМ в модели упругих изотропных сфер.
-
ІІнициирование контактными напряжениями при умереннншс гомологических температурах процессов самодиїфузіш в ЫЧ и их влияние на. кинетику спекания УДП в условиях холодного гидростатического компактирования.
-
Перераспределение атомов второго компонента по объему МЧ после приложения к ансамблю МЧ внешнего гидростатического давления.
-
Основные критерии устойчивости упруго-напряженного состояния в системе МЧ-эпитаксиалышй слой.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности
(Куйбышев, IS89);
- Всесоюзном семинаре "Физпкохимия ультрадисперсних систем"
(Юрмала, IS89);
- v-й Всесоюзной шэле по фізике пластичности и прочности
(Харьков 1990);
- Сешшаро по проблем "Процессы переноса массы в реальных
кристаллах и на их поверхности", посвяадннного игмлти профессора Я.Е.Гегузіша (Харьков, :991);
- Second bsrld Congress он Computational НьслапАс.;, Stuttgart,
FKG, 13 90;
- Th-o Third Interj-aticiial Coniarcnce on Kaoidual tri;j;;o-i,
Tokushina, Japan, lS9i;
- The Sixth International Conference on К^сіїаніслі Behaviour о J
HaterinlG, Kyoto, Japon, 1991;
- 1st European Colid Посікшіся Co;.i<;renc<2, kUnchcn, С-гиапу, 1У91.
Цубликации. По материала;.! диссертации опубликовано 6 робот (2 приняты в печать).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, приложения, списка литературы и содержит 129 страниц, включая 35 рисунков и 3 таблицы. Библиография содержи 107 наименований.
Работа выполнена в лаборатории новых композиционных материалов и покрытий НПО "Красная звезда" в соответствии с планом госбюджетной работы по темам 0-22-00-023 и 0-22-00-16-033, номер государственной регистрации 42050? и на предприятіш "Ультрам" Министерства Атомной Энергетики и Промышленности СССР.